多篇文章解读近年来G蛋白偶联受体领域研究进展

本文系生物谷原创编译，欢迎分享，转载须授权！

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GPCR，即G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor），其是人体内最大的膜受体蛋白家族，在细胞信号转导中发挥重要作用。近年来科学家们围绕GPCR进行了大量研究，同时也取得了多项研究成果，本文中，小编对近期GPCR领域重磅级研究成果进行整理，分享给大家！

【1】Nature：胰高血糖素受体晶体结构揭示B型GPCR信号转导机制

doi：10.1038/nature25153

近日，中国科学院上海药物研究所在B型G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor， GPCR）结构与功能研究方面取得又一项重要进展：首次测定了胰高血糖素受体（Glucagon receptor， GCGR）全长蛋白与多肽配体复合物的三维结构，揭示了该受体对细胞信号分子的特异性识别及其活化调控机制。这项成果有助于深入理解B型GPCR发挥生理效应的结构生物学基础，加快II型糖尿病治疗新药的开发。相关研究论文于1月4日在国际学术期刊《自然》（Nature）上发表，通讯作者为研究员吴蓓丽和赵强。

GPCR是人体内最大的膜受体蛋白家族，在细胞信号转导中发挥重要作用。GPCR与人体疾病关系密切，目前有40%以上的上市药物以GPCR为靶点。根据其相似性，GPCR可分为A、B、C和F等四种类型。B型GPCR包括GCGR等多种重要的受体蛋白，识别并结合多肽类激素，对于维持体内激素平衡至关重要。这类受体包含胞外结构域和跨膜结构域，两者共同参与识别细胞信号。由于获得稳定和完整的B型GPCR蛋白（尤其是B型GPCR与多肽配体结合的复合物）难度极大，其结构研究极具挑战性。

【2】Cell：重大突破！揭示人体GPCR的药物基因组学

doi：10.1016/j.cell.2017.11.033

每个人都有独特的DNA序列。如今，来自丹麦哥本哈根大学和英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的研究人员试着定量确定就药物靶向的基因而言，人基因组中的这些差异意味着什么。

在一项新的研究中，这些研究人员研究了人细胞中的某些受体，即G蛋白偶联受体（GPCR）。这些蛋白受体是最大的一类上市的现代药物的主要靶标。通过分析现有的数据库，他们确定了个体中的药物靶标GPCR发生突变的程度，并研究了这些突变能够对药物的治疗效果产生哪些影响。相关研究结果于2017年12月14日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Pharmacogenomics of GPCR Drug Targets”。

哥本哈根大学药物设计与药理学系的Alexander Hauser（论文第一作者）说，“我们估计平均有3%的人群携带着发生能够改变药物治疗效果的突变的G蛋白偶联受体（GPCR）。”

剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的M. Madan Babu补充道，“这可能意味着药物效果不佳。这也能够意味着药物根本不起作用，或者对患者造成不良影响。”

【3】Cell：上海药物研究所徐华强课题组鉴定出G蛋白偶联受体招募抑制蛋白的磷酸化编码

doi：10.1016/j.cell.2017.07.002

在一项新的研究中，来自中国科学院上海药物研究所、上海科技大学和美国文安德尔研究所等研究机构的研究人员首次揭示出一种被称作视紫红质的G蛋白偶联受体（GPCR）结合到一种被称作抑制蛋白（arrestin）的信号分子上时的组分细节。视紫红质和抑制蛋白是身体复杂的细胞通信网络中的两种至关重要的蛋白分子。这项新的发现进一步改进了2015年发表在Nature期刊上的一项研究（Nature， doi：10.1038/nature14656）：首次描述了这两种蛋白分子结合在一起时的结构。此外，这项发现也解答了一个长期存在的问题，这可能导致人们开发出更加有效的同时具有更少副作用的药物来治疗心力衰竭、癌症等疾病。相关研究结果发表在2017年7月27日的Cell期刊上，论文标题为“Identification of Phosphorylation Codes for Arrestin Recruitment by G Protein-Coupled Receptors”。论文通信作者为中国科学院上海药物研究所VARI/SIMM研究中心主任徐华强（H. Eric Xu）教授。徐华强教授也是2015年的那篇Nature论文的通信作者。

徐华强教授说，“我们的改进的结构就像是一张路线图，里面填充着更多的细节和地理特征。多年来，这个领域试图解答抑制蛋白如何精确地与GPCR相互作用。我们希望我们的研究提供的关于视紫红质的这个答案将促进人们开展新的研究和设计更好的药物，以便最终让全世界的患者受益。”

【4】Nature：利用smFRET成像技术揭示肾上腺素激活的G蛋白偶联受体变化

doi：10.1038/nature22354

在一项新的研究中，来自美国威尔康奈尔医学院、斯坦福大学和哥伦比亚大学的研究人员开发出新的允许人们追踪细胞表面上单个蛋白分子的成像方法。这一结果为细胞如何检测和应答它们的环境提供史无前例的新认识。相关研究结果于2017年6月7日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Single-molecule analysis of ligand efficacy in β2AR–G-protein activation”。论文通信作者为威尔康奈尔医学院生理学与生物物理学教授Scott C. Blanchard和斯坦福大学医学院分子与细胞生理学教授Brian K. Kobilka。

G蛋白偶联受体（GPCR）是位于细胞膜内的蛋白，将信号传递到细胞中以便调节人体生理学的重要方面。GPCR接收到的信号包括激活细胞中的这些蛋白而能够产生视力的光线，调节情绪的神经递质等化学物，触发疼痛的信号等。将近一半的临床使用的药物通过靶向不同种类的GPCR发挥作用。

【5】Nature：重磅！中国科学家解析出一种B类G蛋白偶联受体全长结构，有助开发出新的2型糖尿病药物

doi：10.1038/nature22363

2型糖尿病病例在不断增加。当人体微妙的葡萄糖调节受到破坏而导致血糖水平上升（即高血糖症）时，这种复杂的疾病就会产生。随着时间的推移，这种疾病能够破坏心脏、血管、眼睛、肾脏和神经。

在一项新的研究中，中国科学院上海药物研究所研究员吴蓓丽（Beili Wu）教授领导的一个国际团队研究了葡萄糖调节中的一种至关重要的组分。他们的发现揭示了一种胰高血糖素受体的结构。这种胰高血糖素受体是糖尿病药物开发的一种高度有希望的靶标。相关研究结果于2017年5月17日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Structure of the full-length glucagon class B G-protein-coupled receptor”。

美国亚利桑那州立大学分子科学学院生物设计研究所研究员Wei Liu说，“这篇论文的最大亮点是我们如今获得一种B类G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors，GPCR）的全长结构。”Liu提到这种特殊的细胞表面受体能够结合信号分子，从而影响血糖调节。这种胰高血糖素受体属于B类GPCR。

【6】Cell：纤毛G蛋白偶联受体与细胞外囊泡之间的信号转导调控

doi：10.1016/j.cell.2016.11.036

纤毛（cilium）是一种细胞表面比细胞小5000倍的小仓室，集中了Hedgehog信号传导、视觉、嗅觉和体重稳态的受体。通过维持其自身的第二信使环状AMP（cAMP）和Ca2+的浓度，纤毛为信号分子提供了独特的反应条件，这些信号分子在通路激活时动态进入和离开纤毛。

例如，Hedgehog通路的激活触发G蛋白偶联受体（GPCR）GPR161的纤毛出口（ciliary exit），导致的纤毛体cAMP水平的降低促进随后的信号传导步骤。信号依赖性纤毛出口可以延伸到一些光转导分子和GPCR生长抑素受体3（SSTR3）和神经肽Y受体2（NPY2R）。然而，这种纤毛出口对信号转导的功能重要性仍然比较有争议。

用于将活化的GPCR从纤毛回收回细胞的常规途径依赖于构象传感器β-arrestin 2和BBSome（一种巴尔得-别德尔综合征 蛋白复合体，其与Arf样的GTP酶会形成膜包被复合体Arl6/Bbs3）。同时，细胞胞吐作用（ectocytosis）最近被发现作为单细胞绿藻衣藻的替代纤毛出口途径出现。在胞吐作用过程中，纤毛或质膜的局部向外弯曲释放出细胞外囊泡（EV），称为ectosome或微囊泡。

【7】Nat Commun：科学家发现GPCR信号“对话”影响血管发育

doi：10.1038/ncomms11268

血液在血管内流动，将氧气和营养成分运送到全身各处，而该过程存在一系列受到细胞特异性基因表达调控的复杂反应。在最近发表在国际学术期刊Nature Communication上的一项研究中，耶鲁大学的研究人员发现了一个关键的介导因子能够参与细胞内的反应过程，同时还证明了该因子如何影响新生血管的形成。

GPCR信号在血管的发育过程中起到重要作用，其中包括apelin（APLN）及其受体APLNR。但是这对配体-受体如何调控下游一系列信号途径仍然没有得到深入的揭示。

在这项研究中，研究人员利用小鼠和斑马鱼模型发现一种小RNA分子——microRNA139-5p能够直接影响两个关GPRC信号途径之间的对话，这两种受体决定了新生血管生长所必需的细胞应答。他们还进一步揭示了血流如何影响了这种对话。

【8】Nature：科学家揭开B型G蛋白偶联受体真面目

doi：10.1038/nature12393

来自美国斯克利普斯研究所和中国国家新药筛选中心/中科院上海药物所等研究机构的科学家，在国际上首次解析了胰高血糖素受体7次跨膜区域的三维分子结构，从而改变了长期以来在B型G蛋白偶联受体结构研究方面所遭遇的困境。这是我国科学家作为主体研究者之一在阐明重大疾病药物作用靶点的分子结构方面所取得的重大研究成果。利用该成果，研究人员有望设计和开发出治疗2型糖尿病的口服新药。《自然》杂志近日在线发表了该研究成果。

《自然》刊发的新闻评述认为，这两个受体7次跨膜区域结构的成功解析，是G蛋白偶联受体研究领域的重大突破。G蛋白偶联受体分为A、B、C、D、E、F等六种类型，约有40%的现代药物以这类受体为靶点。从破解第一个G蛋白偶联受体三维分子结构至今，科学家们共解析了20多个G蛋白偶联受体，但迄今已获解析的均属于A型。从对维持生命活动的重要程度来看，B型G蛋白偶联受体的作用不可忽视，但由于结构十分复杂，B型受体的分子面目一直未被揭开。

【9】Science：同期两篇文章揭示G蛋白偶联受体结构与功能研究突破性进展

doi：10.1126/science.1232807

美国《科学》杂志（Science）同期发表两篇在线文章，介绍了中科院上海药物研究所徐华强课题组、蒋华良课题组、美国Scripps研究所Ray Stevens课题组、北卡罗那大学（UNC -Chapel Hill）Bryan Roth课题组的联合研究成果。该项研究成功解析了五羟色胺受体1B及2B的两个亚型晶体结构，从而突破了长期以来五羟色胺受体家族结构与功能研究的困境。

五羟色胺（也叫血清素）是人体中最重要的一种神经递质与激素，在中枢神经系统中，五羟色胺控制着认知、学习、感情、情绪等脑神经活动；在外周神经系统中，五羟色胺控制着生殖、代谢、血管收缩、骨骼发育等生理功能。因此，五羟色胺系统一直是药物研究与开发的热点，作用于该系统的药物广泛用于抗精神分裂症、偏头痛、抗呕吐及肥胖症等疾病。但是，因为五羟色胺功能复杂，受体繁多[在人体中共有14种不同的五羟色胺受体，其中13种受体属于G蛋白偶联受体（GPCR）]，临床用的五羟色胺调节剂具有非特异性，常引起毒性副作用，从而导致临床用药的失败。五羟色胺受体与配体结合的分子机制是解决五羟色胺调节剂分子特异性的关键前提。但是由于五羟色胺GPCR受体是七次跨膜的膜蛋白，柔性较大，导致其蛋白质表达、提纯与结晶难度极高。五羟色胺受体结构的长期匮乏，已抑制对五羟色胺受体的生物学理解及其药物的研发。

【10】PNAS：胆固醇可调节G蛋白偶联受体

doi：10.1073/pnas.1210373109

2012年荣获诺贝尔化学奖的是两位美国科学家：罗伯特·莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz）和布莱恩·科比尔卡（Brian K. Kobilka），他们因“G蛋白偶联受体”研究领域的杰出贡献而获奖。

其中Brian K. Kobilka现任斯坦福大学医学院教授，美国科学院院士，2012年受聘清华大学“客座教授”，目前已完成在清华大学医学院实验室的建立，并已开始指导博士生和博士后。这位学者近期与瑞士科学家合作，在11月份美国《国家科学院院刊》（PNAS）上发表了题为“Cholesterol increases kinetic， energetic， and mechanical stability of the human β2-adrenergic receptor”的文章，介绍了对于G蛋白偶联受体来说，胆固醇会造成什么影响。

胆固醇是真核细胞膜的一个必要组成部分，能功能性调节膜蛋白，比如G蛋白偶联受体，然而目前对于这一具体的调控过程，科学家们了解的还并不是十分清楚。为了解析胆固醇如何调节G蛋白偶联受体的过程，在这篇文章中，研究人员采用了动态原子力单分子力谱技术（dynamic single-molecule force spectroscopy），量化分析了在有或者没有胆固醇类似物：琥珀酸胆固醇酯（cholesteryl hemisuccinate，CHS）的前提下，人β2 肾上腺素受体（β2AR）的机械强度和柔韧性，构象变化，以及稳定维持受体的结构片段的动态活性。